Guardians of the Galaxy Vol. 2 julkistettiin San Diego Comic-Con International -tapahtumassa vuonna 2014 ennen ensimmäisen elokuvan ensi-iltaa, Gunnin vahvistaessa samalla paluunsa ohjaajaksi. Elokuvan virallinen nimi paljastettiin vasta kesäkuussa 2015. Kuvaukset alkoivat helmikuussa 2016 Pinewood Atlanta Studiosilla ja päättyivät kesäkuussa 2016. Gunn, että jatko-osa sijoittuisi pian ensimmäisen elokuvan jälkeen tutkiakseen Vartijoiden uutta roolia ja jatkaakseen tarinaa Quillin isästä, rooliin, johon Russell valittiin heinäkuussa 2016, näyttellen Egoa, joka ei sarjakuvissa ollut Quillin isä.
Guardians of the Galaxy Vol. 2 sai maailmanensi-iltansa Tokiossa 10. huhtikuuta 2017. Elokuvateattereihin se ilmestyi Suomessa 26. huhtikuuta 2017 ja Yhdysvalloissa 5. toukokuuta 2017. Elokuva sai pääosin positiivisen vastaanoton, kriitikoiden ylistäessä visuaalisia efektejä, soundtrackia ja näyttelijöitä, vaikka se ei ollut heidän mielestä hyvä kuin ensimmäinen elokuva. Elokuvan jatko-osa Guardians of the Galaxy Vol. 3 tulee saamaan ensi-iltansa vuonna 2020.
Xandarin taistelun sankareiksi julistetut Galaksin Vartijat – Peter Quill, Gamora, Drax, Rocket ja pikku-Groot – ovat saaneet Sovereign-kansan ylipapittarelta Ayeshalta tehtävän puolustaa arvokkaita anulax-akkuja abiliskina tunnetulta hirviöltä. Vastineeksi nämä luovuttavat Vartijoille Nebulan, joka oli vangittu yrityksestään varastaa akkuja. Kun paljastuu, että Rocket on itse varastanut muutaman akun, Sovereign lähettää kauko-ohjattuja hävittäjiä tappamaan Vartijat. Salaperäinen olento tuhoaa helposti kaikki hävittäjät, mutta Vartijoiden alus Milano tekevät pakkolaskun läheiselle planeetalle. Olento paljastaa olevansa Quillin isä Ego ja kutsuu poikansa sekä Gamoran ja Draxin kotiplaneetalleen. Rocket ja Groot jäävät korjaamaan Milanoa ja vahtimaan Nebulaa.
Ayesha palkkaa Yondu Udontan ja tämän avaruusrosvot etsimään Vartijat. Yondu jäljittää Milanon sijainnin, mutta kun hän päättää Quillin nappaamisen sijaan vain myydä Sovereignilta varastetut akut, avaruusrosvot nousevat Taserfacen johdolla ja Nebulan avustuksella kapinaan. Taserface vangitsee Yondun ja Rocketin alukselleen Electorille, kun taas Nebula lähtee etsimään Gamoraa kostaakseen tälle heidän adoptioisänsä Thanoksen aiheuttamat kidutukset. Yondu kertoo Rocketille olevansa karkotettu suuremmasta avaruusrosvoyhteisöstä lasten kaappaamisen takia ja ettei luota Egoon. Groot ja Yondun uskollinen perämies Kraglin vapauttavat heidät, minkä jälkeen he tuhoavat aluksen ja tappavat sen miehistön ennen kuin pakenevat. Taserface ehtii kuitenkin ennen kuolemaansa ilmoittaa Sovereign-kansalle Vartijoiden olinpaikan.
Esitellessään planeettaansa Ego kertoo olevansa celestiaali, joka oli muodostanut planeetan aivojensa ympärille todelliseksi kehokseen, mutta luonut itselleen ihmiskehon matkustaakseen ympäri galaksia ja kommunikoidakseen muiden elollisten olentojen kanssa. Lopulta hän oli tavannut Quillin äidin Meredithin ja rakastunut tähän. Meredithin kuoltua hän oli palkannut Yondun noutamaan Quillin. Mutta Yondu ei tuonutkaan häntä, joten Ego päätti etsiä poikansa itse. Hän opetti Quillin käyttämään perimiään celestiaalin voimia planeetan ympäristön manipulointiin. Nebula saapuu Egon planeetalle ja yrittää tappaa Gamoran. He päätyvät kuitenkin tekemään aselevon ja löytävät planeetan alla sijaitsevista luolista satoja luurankoja. Sillä välin Ego paljastaa Quillille istuttaneensa vierailemilleen planeetoille kasveja, joiden tarkoitus oli muuntaa planeetat hänen laajennuksikseen. Mutta muutosprosessin käynnistämiseen tarvittiin toinen celestiaali, joten hän teki itselleen useita jälkeläisiä satojen naisten kanssa ja palkkasi Yondun tuomaan lapset hänelle. Ego oli kuitenkin tappanut lapset, koska nämä eivät olleet perineet celestiaalin voimia kuten Quill. Hypnotisoitu Quill oli aikeissa suostua auttamaan isäänsä, kunnes sai selville Egon istuttaneen tarkoituksella Meredithiin aivokasvaimen, johon tämä kuoli.
Egon kasvatti Mantis varoittaa Draxia, Gamoraa ja Nebulaa Egon suunitelmasta juuri kun Rocket, Yondu, Groot ja Kraglin saapuvat. Vartijat joutuvat taisteluun sekä Egoa että paikalle saapuneita Sovereignin hävittäjiä vastaan päästäkseen planeetan ytimeen. Rocket rakentaa anulax-akuista pommin, jonka Groot asettaa Egon aivoihin. Quill käyttää voimiaan pitääkseen Egon kiireisenä kunnes muut Vartijat pääsevät pakenemaan. Pommin räjähdys tappaa Egon ja aiheuttaa planeetan romahtamisen, mutta Yondu uhraa itsensä pelastaakseen Quillin. Quill tajuaa, ettei Yondu koskaan vienyt häntä Egon luokse, koska halusi estää häntä kokemasta samaa kohtaloa kuin Egon muut lapset, ja alkaa pitää tätä todellisena isänään. Nebula tekee sovinnon Gamoran kanssa, mutta lähtee pois etsiäkseen keinon surmata Thanos. Vartijat ja Kraglin järjestävät Yondulle hautajaiset, joihin osallistuvat muutkin avaruusrosvot.
Lopputekstien aikana näytetään useita kohtauksia: Kraglin opettelee käyttämään Yondun telekineettistä nuolta, avaruusrosvojen pääjohtaja Stakar Ogord on Yondun muiston kunnioittamiseksi koonnut alkuperäisen ryhmänsä takaisin yhteen, Groot varttuu lapsesta nuoreksi aikuiseksi, Ayesha aikoo tuhota Vartijat luomalla uuden keinotekoisen olennon nimeltä Adam, ja eräs astronautti yrittää kertoa Maan tapahtumista Seuraajille.